JP2016515190A - Heating equipment and method of operating heating equipment - Google Patents
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Abstract
本発明は、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ(14)と、少なくとも1つの蓄熱器とを備えた加熱設備(10)と、当該加熱設備(10)の動作方法とに関する。前記蓄熱器を熱バッファ(16)として構成することを提案する。The present invention comprises a heating facility (10) comprising at least one force-heat coupling system, at least one additional heater (14) and at least one regenerator, and a method of operating the heating facility (10). About. It is proposed to configure the heat accumulator as a heat buffer (16).
Description
本発明は、少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの蓄熱器とを有する加熱設備に関する。さらに本発明は、とりわけ上記構成の加熱設備の動作方法にも関する。 The present invention relates to a heating installation having at least one force-heat coupling system, at least one additional heater and at least one regenerator. Furthermore, the present invention particularly relates to a method for operating the heating equipment having the above-described configuration.
以下、「力‐熱結合システム」とは、第1の出力側において力と等価のものを出力し、かつ、他の1つの出力側において熱を出力するシステムを指す。前記力と等価のものとはたとえば、機械的回転成分、または、電流を流す電圧等である。「燃料電池加熱設備」とは特殊な力‐熱結合システムを指し、これは、1つまたは複数の燃料電池を含む燃料電池スタックとアフタバーナとを備えた燃料電池設備を有する。この燃料電池設備では、燃料電池において電圧と場合によっては電流とが生成され、当該燃料電池とアフタバーナとにおいて熱が生成される。 Hereinafter, a “force-heat coupling system” refers to a system that outputs an equivalent of a force on the first output side and outputs heat on the other output side. The thing equivalent to the force is, for example, a mechanical rotation component or a voltage for passing a current. A “fuel cell heating facility” refers to a special force-heat coupling system, which has a fuel cell facility with a fuel cell stack including one or more fuel cells and an afterburner. In this fuel cell facility, a voltage and possibly a current are generated in the fuel cell, and heat is generated in the fuel cell and the afterburner.
従来技術
力‐熱結合システムを備えた加熱設備では、たとえば燃料電池設備によって発電が行われ、発電時に発生した廃熱が他の用途に、たとえば室内暖房用の加熱回路および/または温水システムに供給される。特定の時刻または季節にはこのことにより、瞬時に必要とされる熱需要量、すなわち、室内加熱および/または温水システムに必要な熱量が、発電時に生じる廃熱を上回るという事態が生じてしまう。
Prior Art In a heating facility equipped with a force-heat coupling system, power is generated by, for example, a fuel cell facility, and waste heat generated during power generation is supplied to other applications, for example, a heating circuit for indoor heating and / or a hot water system. Is done. At a particular time or season, this can lead to a situation where the instantaneous heat demand, i.e., the amount of heat required for indoor heating and / or hot water systems, exceeds the waste heat generated during power generation.
独国特許出願公開第102010001011号明細書に、燃料電池加熱設備の形態の力‐熱結合システムを備えた設備が記載されており、当該設備では、第1の燃料の第1の割合が、前記力‐熱結合システムの燃料電池設備の少なくとも1つの燃料電池において電気化学的に変換されることによって電力および熱が生成され、前記第1の燃料のうち、変換せずに前記燃料電池から出た第2の割合は、当該燃料電池から出た後に前記燃料電池設備のアフタバーナにおいて燃焼されて熱が生成され、追加加熱機器において第2の燃料を燃焼させて熱を生成することができ、当該燃料電池の最適動作点において前記第1の燃料の最大限の第1の割合を変換することができる。 DE 102010001011 describes an installation with a force-heat coupling system in the form of a fuel cell heating installation, in which the first proportion of the first fuel is said to be Power and heat are generated by electrochemical conversion in at least one fuel cell of the fuel cell facility of the force-heat coupling system, and the first fuel exits the fuel cell without conversion. The second ratio is that heat is generated by being burned in the after burner of the fuel cell facility after leaving the fuel cell, and heat can be generated by burning the second fuel in the additional heating device. The maximum first proportion of the first fuel can be converted at the optimum operating point of the battery.
熱取り出しを行うことなく、燃料電池設備を発電のために動作させる場合、燃料電池を性能劣化させることなく、供給された燃料のうち電気化学反応できる割合を可能な限り多くする試みがなされる。つまり、所要電力を生成するために供給される燃料を可能な限り少なくする。燃料供給量あたりの電力出力量により求められる効率を可能な限り大きくするためには、電気化学的変換される燃料の割合を可能な限り多くしなければならない。しかし一方、性能劣化を回避するためには、通常は多数の燃料電池を備えている燃料電池設備を、理論空燃比以上で動作させなければならない。すなわち、アノードへ供給される燃料とカソードへ供給される酸化剤とを、当該アノードおよびカソードにて電気化学的反応する量より多くしなければならない。このことにより、各電極または電極の各部分における供給不足を回避することができる。供給不足になると、燃料電池において不所望の副反応と、不均等な電圧分布と、場合によっては不均等な電流分布と、不均等な温度分布とが生じてしまい、これらは燃料電池を性能劣化させる原因となる。燃料電池の最適動作点では、燃料電池が急速に劣化することなく、燃料電池において電気化学的変換される燃料の割合が最大可能割合となる。全負荷と複数の異なる部分負荷状態とで動作させるために、各々の最適動作点を設定することができる。燃料電池において変換されなかった未使用の燃料は、再循環するか、またはアフタバーナにおいて燃焼することができる。このアフタバーナにて生成された熱は、総効率に加算される。 When operating the fuel cell facility for power generation without performing heat extraction, an attempt is made to increase the proportion of the supplied fuel that can be electrochemically reacted as much as possible without degrading the performance of the fuel cell. That is, the fuel supplied to generate the required power is reduced as much as possible. In order to maximize the efficiency required by the amount of power output per fuel supply, the rate of electrochemically converted fuel must be increased as much as possible. However, on the other hand, in order to avoid performance degradation, a fuel cell facility usually equipped with a large number of fuel cells must be operated at a theoretical air-fuel ratio or higher. That is, the fuel supplied to the anode and the oxidant supplied to the cathode must be larger than the amount of electrochemical reaction at the anode and cathode. Thereby, supply shortage in each electrode or each part of the electrode can be avoided. Insufficient supply can cause unwanted side reactions, uneven voltage distribution, and sometimes uneven current distribution and uneven temperature distribution in the fuel cell, which can degrade the performance of the fuel cell. Cause it. At the optimum operating point of the fuel cell, the ratio of the fuel that is electrochemically converted in the fuel cell is the maximum possible ratio without rapid deterioration of the fuel cell. Each optimum operating point can be set for operation at full load and a plurality of different partial load conditions. Unused fuel that has not been converted in the fuel cell can be recycled or burned in the afterburner. The heat generated by the afterburner is added to the total efficiency.
最適動作点は電気的効率と燃料電池の性能劣化との間の妥協点なので、燃料電池のこの最適動作点における性能劣化は最小にならない。ここで「性能劣化」とは、少なくとも1つの燃料電池の効率または出力の経時的な低下を指し、その原因は様々である。 Since the optimum operating point is a compromise between electrical efficiency and fuel cell performance degradation, performance degradation at this optimum operating point of the fuel cell is not minimized. Here, “performance degradation” refers to a decrease in the efficiency or output of at least one fuel cell over time, and the causes thereof are various.
独国特許出願公開第102010001011号明細書では、特に燃料電池設備の力‐熱結合システムの動作時に、当該力‐熱結合システムの効率を実質的に変えずに燃料電池の性能劣化を低減することが提案されている。とりわけ、閉ループ制御が行われる力‐熱結合システムは、燃料電池の最適動作点において燃料電池設備により生成可能な熱量よりも熱需要量の方が上回る場合、燃料電池の最適動作点の場合よりも多くの第1の燃料がアフタバーナにおいて燃焼するように、前記第1の燃料の第1の割合を低減させなければならない。 In DE 102010001011, reducing the degradation of fuel cell performance without substantially changing the efficiency of the force-thermal coupling system, especially when operating the power-thermal coupling system of a fuel cell facility. Has been proposed. In particular, a force-heat coupled system with closed loop control is more effective when the heat demand exceeds the amount of heat that can be generated by the fuel cell equipment at the optimal operating point of the fuel cell than at the optimal operating point of the fuel cell. The first rate of the first fuel must be reduced so that a large amount of the first fuel burns in the afterburner.
本発明の課題は、性能劣化の増幅を引き起こすことなく、上述の構成の加熱設備の効率を更に改善することである。 An object of the present invention is to further improve the efficiency of the heating equipment having the above-described configuration without causing amplification of performance deterioration.
発明の開示
前記課題は、既存の蓄熱器を熱バッファとして構成することにより解決される。このような構成により、遮断サイクル数を劇的に減少させることができ、この遮断サイクル数の減少により性能劣化が抑止される。にもかかわらず、力‐熱結合システムに包含される燃料電池設備を幅広い区間において、最大電力で動作させることができる。「最大電力」とは、燃料電池を破壊することなく、燃料電池設備内に配置された燃料電池スタックに後置接続されているインバータから取り出すことができる最大公称電力を指す。「インバータ」とは、燃料電池から出力された直流電流を交流電流に変換できる装置を指す。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The problem is solved by configuring an existing heat accumulator as a heat buffer. With such a configuration, the number of interruption cycles can be drastically reduced, and performance deterioration is suppressed by the reduction in the number of interruption cycles. Nevertheless, the fuel cell equipment included in the force-heat coupling system can be operated at maximum power in a wide range. “Maximum power” refers to the maximum nominal power that can be taken from an inverter that is connected downstream of a fuel cell stack located in the fuel cell facility without destroying the fuel cell. An “inverter” refers to a device that can convert a direct current output from a fuel cell into an alternating current.
従属請求項に記載された構成により、独立請求項に記載の加熱設備を更に有利に発展させることができる。これにより、蓄熱器を力‐熱結合システムと追加ヒータとの間に連通させると、蓄熱器の挿入を回路技術的に簡単に行うことができる。この追加加熱機器は、ボイラ、浴槽またはバーナとすることができる。この追加加熱機器は、燃料電池設備と統合して1つの機器とするか、または別個の機器として構成することができる。とりわけ、燃料電池設備と追加加熱機器とは、構成要素を共用することができ、たとえば熱交換器、燃料供給部または開ループ制御部ないしは閉ループ制御部を共用することができる。 With the arrangements described in the dependent claims, the heating equipment described in the independent claims can be further advantageously developed. Thereby, when the heat accumulator is communicated between the force-heat coupling system and the additional heater, the heat accumulator can be easily inserted in terms of circuit technology. This additional heating device can be a boiler, a bathtub or a burner. This additional heating device can be integrated with the fuel cell facility into one device or can be configured as a separate device. In particular, the fuel cell equipment and the additional heating device can share components, for example, a heat exchanger, a fuel supply unit or an open loop control unit or a closed loop control unit.
熱バッファが、少なくとも2つの管継手を有する上部領域と、少なくとも2つの管継手を有する下部領域とを有し、前記力‐熱結合システムの温水出口が前記熱バッファの上部管継手に連通されており、かつ、当該力‐熱結合システムの冷水入口が当該熱バッファの下部管継手に連通されるように構成すると、更に簡素化することができる。 A thermal buffer having an upper region having at least two fittings and a lower region having at least two fittings, wherein the hot water outlet of the force-heat coupling system is in communication with the upper fitting of the thermal buffer; Further, if the cold water inlet of the force-heat coupling system is configured to communicate with the lower pipe joint of the thermal buffer, further simplification can be achieved.
さらに、熱バッファが、少なくとも2つの管継手を有する上部領域と、少なくとも2つの管継手を有する下部領域とを有し、前記追加ヒータの温水出口が前記熱バッファの上部管継手に連通されており、かつ、当該追加ヒータの冷水入口が当該熱バッファの下部管継手に連通されるように構成すると、上述の回路を簡素化することができる。 Furthermore, the thermal buffer has an upper region having at least two pipe joints and a lower region having at least two pipe joints, and the hot water outlet of the additional heater is communicated with the upper pipe joint of the thermal buffer. And if it comprises so that the cold water inlet of the said additional heater may be connected to the lower pipe joint of the said thermal buffer, the above-mentioned circuit can be simplified.
3方向混合弁を介して前記熱バッファを追加ヒータに接続すると、水流を、特に温水流を細やかに調整することができる。 When the thermal buffer is connected to an additional heater via a three-way mixing valve, the water flow, particularly the hot water flow, can be finely adjusted.
前記熱バッファが少なくとも1つの上部温度センサおよび/または少なくとも1つの下部温度センサを有すると、当該熱バッファの監視を行うことができる。前記上部温度センサを介して、とりわけ、熱バッファの温水領域を監視することができ、かつ、下部の低温領域に別の温度センサが配置される。 If the thermal buffer has at least one upper temperature sensor and / or at least one lower temperature sensor, the thermal buffer can be monitored. Via the upper temperature sensor, in particular, the hot water area of the thermal buffer can be monitored, and another temperature sensor is arranged in the lower low temperature area.
有利には、前記追加ヒータを非飲料水容器および/または1つもしくは複数の加熱回路に直接的および/または間接的に接続することができる。 Advantageously, the additional heater can be connected directly and / or indirectly to a non-potable water container and / or one or more heating circuits.
前記力‐熱結合システムが、供給された燃料を分解する少なくとも1つの改質器を備えていると、加熱設備の効率を更に向上させることができる。この改質器にはさらに水も供給することができる。改質器とは、たとえば天然ガスを受け取って当該天然ガスの少なくとも一部を、水素、炭化水素、一酸化炭素および/または二酸化炭素に変換できる装置を指す。 If the force-heat coupling system comprises at least one reformer that decomposes the supplied fuel, the efficiency of the heating facility can be further improved. The reformer can also be supplied with water. A reformer refers to a device that can receive, for example, natural gas and convert at least a portion of the natural gas into hydrogen, hydrocarbons, carbon monoxide and / or carbon dioxide.
前記水が、特に前記改質器へ供給される水が、前記加熱設備の少なくとも1つの熱交換器から復水として得られて復水容器へ供給される場合には、力‐熱結合システムに対する外部水管継手の全部または一部を省略することができる。 If the water, in particular the water supplied to the reformer, is obtained as condensate from at least one heat exchanger of the heating facility and supplied to the condensate vessel, the force-heat coupling system All or part of the external water pipe joint can be omitted.
復水容器が充填レベルセンサを有している場合、当該復水容器内に存在する復水量を簡単に特定することができる。 When the condensate container has a filling level sensor, the amount of condensate present in the condensate container can be easily specified.
少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法でも、当該追加ヒータに到達した加熱用水の戻り口部温度が、当該熱バッファの上部領域の温度を下回る場合にのみ、当該追加ヒータが高温の加熱用水を当該熱バッファから引き込む方法により、効率上昇を実現することができる。 Even in the operating method of the present invention of a heating facility comprising at least one force-heat coupling system, at least one additional heater and at least one thermal buffer, the return temperature of the heating water reaching the additional heater is Only when the temperature of the upper region of the thermal buffer is lower, the efficiency can be increased by the method in which the additional heater draws hot water for heating from the thermal buffer.
また、少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの熱バッファとを備えた加熱設備の動作に際し、当該追加ヒータに到達した加熱用水の戻り口部温度が、当該熱バッファの下部領域の温度を下回る場合にのみ、当該追加ヒータが高温の加熱用水を当該熱バッファから引き込む方法によっても、効率上昇を実現することができる。 In operation of a heating facility including at least one force-heat coupling system, at least one additional heater, and at least one thermal buffer, the return temperature of the heating water that has reached the additional heater is changed to the thermal buffer. Only when the temperature is lower than the lower region, the efficiency can be increased also by the method in which the additional heater draws hot water for heating from the thermal buffer.
さらに、少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、当該力‐熱結合システムが電力を出力することができ、かつ、当該熱バッファの下部領域の温度が50℃を、有利には45℃を下回る限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。 Furthermore, for the inventive method of operation of a heating facility comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater and at least one thermal buffer, the power-thermal coupling system may output power. As long as the temperature of the lower region of the thermal buffer is lower than 50 ° C., preferably below 45 ° C., operating the force-heat coupled system at high power, especially at maximum power, can also increase efficiency. Can be realized.
さらに、少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、当該力‐熱結合システムが電力を出力することができ、かつ、当該熱バッファの上部領域の温度が70℃を、有利には65℃を下回る限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。 Furthermore, for the inventive method of operation of a heating facility comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater and at least one thermal buffer, the power-thermal coupling system may output power. As long as the temperature of the upper region of the thermal buffer is lower than 70 ° C., preferably below 65 ° C., operating the force-heat coupled system at high power, especially at maximum power, can also increase efficiency. Can be realized.
その上さらに、少なくとも1つの力‐熱結合システムと少なくとも1つの追加ヒータと少なくとも1つの熱バッファとを備えた加熱設備の本発明の動作方法については、前記力‐熱結合システムが電力を出力することができ、復水容器から復水を取り出して特に改質器へ供給できる限り、当該力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させることによっても、効率上昇を実現することができる。 Still further, for the inventive method of operation of a heating facility comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater, and at least one thermal buffer, the force-thermal coupling system outputs power. As long as the condensate can be taken out of the condensate container and supplied to the reformer in particular, the efficiency can be increased by operating the power-heat coupling system at high power, especially at maximum power. it can.
本発明の方法の各態様は組み合わせることも可能であり、好適には、上述の加熱設備のうちいずれかを動作するのに適している。その点については、特許請求の範囲および明細書にて説明した各発明特定事項は、それ自体で個別に、または組合せでも、本発明の重要な特徴になり得る。 The aspects of the method of the present invention can be combined and are preferably suitable for operating any of the heating equipment described above. In that regard, each invention-specific matter described in the claims and specification can be an important feature of the present invention individually or in combination.
燃料電池はSOFC(Solid Oxid Fuel Cell)とすることができる。その際には、前記燃料電池設備は複数の燃料電池を有することができ、これら複数の燃料電池を1つの燃料電池スタックまたは燃料電池ユニットにまとめることができる。前記第1の燃料は、天然ガス、バイオガスもしくは純粋なメタンとするか、または、たとえばプロパン、ディーゼル機関用燃料、ガソリン、灯油、液体ガスまたは暖房用オイル等の、より長鎖の炭化水素とすることができる。これらに代えて択一的に、前記第1の燃料をメタノールとするか、またはより長鎖のアルコールとすることもできる。前記第1の燃料は、燃料電池内に導入する前に、または燃料電池内部にて、一部または全部を改質することができる。その際に、高濃度の水素および/または一酸化炭素を含む燃料が生成される。「第1の燃料」とは、改質された燃料と、未改質処理の燃料との双方を指す。燃料電池および/またはアフタバーナにおいて生成された熱の一部は、前記改質に必要とされることがある。 The fuel cell can be a SOFC (Solid Oxid Fuel Cell). In this case, the fuel cell equipment can have a plurality of fuel cells, and the plurality of fuel cells can be combined into one fuel cell stack or fuel cell unit. The first fuel may be natural gas, biogas or pure methane, or a longer chain hydrocarbon such as propane, diesel engine fuel, gasoline, kerosene, liquid gas or heating oil. can do. Alternatively, the first fuel can be methanol or a longer chain alcohol. The first fuel can be partially or wholly reformed before being introduced into the fuel cell or inside the fuel cell. In doing so, a fuel containing a high concentration of hydrogen and / or carbon monoxide is produced. The “first fuel” refers to both the reformed fuel and the unreformed fuel. Some of the heat generated in the fuel cell and / or afterburner may be required for the reforming.
前記燃料電池から出た前記第1の燃料の第3の割合を、再循環によって当該燃料電池へ再供給することも可能である。このようにして、前記第1の燃料の前記第2の割合が、前記第3の割合だけ低減する。したがって、燃料電池から変換されずに出てきてアフタバーナにおいて燃焼される前記第2の割合は、当該燃料電池において変換されなかった割合の全部である必要はない。前記第3の割合も、熱需要量に応じて調整することができ、特に、熱需要量の増大時には低減することができる。前記第2の割合および第3の割合もまた、燃料電池設備へ供給される第1の燃料の量を基準とした割合である。 It is also possible to re-supply the third proportion of the first fuel that has left the fuel cell to the fuel cell by recirculation. In this way, the second rate of the first fuel is reduced by the third rate. Therefore, the second rate that comes out of the fuel cell without being converted and burns in the afterburner need not be the entire rate that was not converted in the fuel cell. The third ratio can also be adjusted according to the amount of heat demand, and can be reduced particularly when the amount of heat demand increases. The second ratio and the third ratio are also ratios based on the amount of the first fuel supplied to the fuel cell facility.
前記第2の燃料は、第1の燃料と同一物質とすることができる。また、第2の燃料と第1の燃料とは、異なる物質とすることも可能である。前記追加加熱機器は、復水式ガスボイラとすることができる。 The second fuel may be the same material as the first fuel. Also, the second fuel and the first fuel can be different materials. The additional heating device may be a condensing gas boiler.
本発明の他の改良形態については、以下の本発明の実施例の説明から明らかであり、この実施例は図面に概略的に示されている。特許請求の範囲、明細書または図面から明らかである、構造上の個別ユニット、空間的配置および方法の各ステップを含めた構成および/または利点は全て、それ自体でも、また種々の組合せでも、本発明の重要な要素になり得る。 Other refinements of the invention will be apparent from the following description of an embodiment of the invention, which is schematically illustrated in the drawings. All arrangements and / or advantages including individual structural units, spatial arrangements and method steps, which are obvious from the claims, the description or the drawings, are per se, in various combinations. It can be an important element of the invention.
図1に加熱設備10を示している。これは、燃料電池設備12の形態の力‐熱結合システムと、追加ヒータ14と、熱バッファ16として構成された蓄熱器とを備えている。熱バッファ16は蓄熱媒体を含むことを特徴としている。この蓄熱媒体は有利には、循環可能な加熱用水である。実際の需要要求に依存せずに、この熱バッファ16内に熱を入れたり、または熱を取り出したりすることができる。これが、熱バッファ16と蓄熱器との相違点であり、蓄熱器は通常、需要ピーク時のために熱を予備的に保持しておくため、高い温度水準に保たなければならない。熱バッファ16では、熱バッファ作用すなわち再吸熱を可能にするため、熱を可能な限り適時に放出されるようになっている。
FIG. 1 shows a heating facility 10. This comprises a force-heat coupling system in the form of a
本実施例では熱バッファ16は、力‐熱結合システムと追加ヒータ14との間に連通されている。このような構成により、力‐熱結合システムすなわち燃料電池設備12から熱が熱バッファ16へ出力され、追加ヒータ14から熱が熱バッファ16によって取り出すことが可能となる。
In this embodiment, the
熱バッファ16は上部領域18と下部領域20とを有し、両領域18,20は熱バッファ16の内部にて、間断を伴って、または間断無しで、相互に連通することができる。熱バッファ16の上部領域18には2つの管継手22および24が設けられており、下部領域20には2つの管継手26および28が設けられている。
The
力‐熱結合システムすなわち燃料電池設備12は、熱バッファ16の上部管継手22に連通された温水出口30と、下部管継手26に連通された冷水入口32とを備えている。これらによって、燃料電池設備12は熱バッファ16へ熱を連続的に出力することができる。
The force-heat coupling system or
加熱用水の循環を改善するために、ポンプ34が設けられている。このポンプ34は有利には、下部管継手26と冷水入口32との間に配置されている。このような構成により、低温の加熱用水を熱バッファ16の下部領域20内から吸い出して燃料電池設備12の冷水入口32へ圧送することができる。
A pump 34 is provided to improve the circulation of the heating water. This pump 34 is advantageously arranged between the
もちろん、ポンプ34を温水出口30と上部管継手22との間に連通させることも可能である。
Of course, the pump 34 can be communicated between the
図1に示した燃料電池設備12は燃料入口36を有し、これは、後で作動される混合弁38を介して燃料を改質器40へ送るものである。
The
この改質器40内では、供給された燃料、有利には天然ガスが、少なくとも一部分解されて燃料電池42へ供給される。
In the
燃料電池42はアノード44とカソード46とを有し、これらは触媒部材48によって相互に隔絶されている。改質器40によって処理された燃料は、燃料電池42のアノード44へ供給されるのに対し、カソード46には空気入口50を介して、とりわけ酸素が供給される。燃料電池42の電気に関する側面については、これ以上深くは言及しない。
The fuel cell 42 has an anode 44 and a
余剰燃料は、出口52を通ってアノード44からアフタバーナ54に向かって出て行く。アノード44とアフタバーナ54との間において、この未使用燃料の一部が帰還され、上記にて既に述べた混合弁38を介して改質器40へ供給される。余剰空気とりわけ酸素は、出口56を介してカソード46から出て行き、この余剰空気もアフタバーナ54へ送られる。アフタバーナ54内にて余剰燃料/余剰空気を燃焼させることにより、アフタバーナ54から高温の排ガスがアフタバーナ出口58を介して熱交換器60の方向に出ていく。
Surplus fuel exits from the anode 44 toward the afterburner 54 through the
この熱交換器60は本実施例では、冷水入口32と温水出口30との間に連通されており、生成された上記熱を熱バッファ16内へ送出するように構成されている。電気が取り出されるかないしは公共配電網へ配電でき、かつ、熱バッファ16によって熱が吸収される限り、燃料電池設備12は上述のようにして、力‐熱結合システムとして特に高効率で動作することができる。よって、この力‐熱結合システムの効率は上述の構成によって格段に向上する。
In this embodiment, the
冷却された排ガスは、出口62を介して熱交換器60から出て行く。
The cooled exhaust gas leaves the
燃料電池設備12は更に、各構成要素を開ループ制御するための制御部63も有する。とりわけ前記混合弁38を、または、空気入口50に設けられた圧縮機65も駆動させることができる。また、ポンプ34の構成に応じて、ポンプ34も前記制御部63によって投入および遮断することができ、または、回転数を可変に調整して当該ポンプ34を駆動制御することもできる。
The
既に述べたように、熱バッファ16は上部領域18において少なくとも2つの管継手22および24を有し、かつ、下部領域20において更に2つの管継手26および28を有する。これらの管継手24および28は本実施例では、熱バッファ16の容積に直接連通されているので、同一の加熱用水を使用し、この加熱用水は熱交換器60内にも通流することができる。しかしこの構成は、内側が通流可能になっているフィラメントを熱バッファ16内に配置し、このフィラメントを管継手22および26に、または管継手24および28に連通し、当該フィラメントが、その他の点として熱バッファ16の容積内にて熱交換を保証する構成とすることも可能である。
As already mentioned, the
上部管継手24を供給口部64に連通させ、かつ、下部管継手28を戻り口部66に連通させるように、管継手24および28に追加ヒータ14が接続されている。追加ヒータ14はヒートブロック68を有する。これは、温度上昇が必要な場合に限り、供給された加熱用水を加熱するものである。ヒートブロック68はたとえば、伝熱機能を有するガスバーナの形態の復水式ボイラによって実現することができる。
The additional heater 14 is connected to the pipe joints 24 and 28 so that the upper pipe joint 24 communicates with the
上部出力側24と供給口部64との間に混合弁70が接続されており、この混合弁70は、戻り管路66からの戻り水を供給口部64に添加して混合するためのものである。こうするために、混合弁70は戻り口部66にも連通されている。
A mixing
前記追加ヒータは、ヒートブロック68を自明の態様で開ループ制御ないしは閉ループ制御する制御部69を備えている。こうするために制御部69は、図中に示されていない構成要素を監視して、当該構成要素に影響を及ぼす。当該構成要素はたとえば、燃料インレット、燃料圧縮機および/または流入空気圧縮機、火炎監視装置等である。
The additional heater includes a
制御部69は前記制御部63に接続されており、たとえばバスシステム71を介して通信する。しかし、制御部69と制御部63とを1つの制御部にまとめて具現化することも可能である。
The
戻り口部66を供給口部64に完全に連通させるように混合弁70を制御すると、上部管継手24は供給口部64に連通されなくなるので、下部管継手28と、熱バッファ16と、上部管継手24とを流れる加熱用水の流れが阻止される。しかし、混合弁70の構成に応じて、相互間においてそれぞれ異なる体積流量を可変に実現することができる。すなわち、戻り口部66からの加熱用水を供給口部64に直接混合することも、または熱バッファ16を介して間接的に混合することもできる。
If the mixing
熱バッファ16は上部温度センサ72を有し、この上部温度センサ72は、上部領域18の温度を測定することができる。この温度センサ72は、加熱用水内に取り付けるか、または熱バッファ16の外壁に取り付けることができる。
The
熱バッファ16は下部温度センサ74を有し、この下部温度センサ74は、下部領域20の温度を測定することができる。この温度センサ74は、加熱用水内に取り付けるか、または熱バッファ16の外壁に取り付けることができる。
The
本実施例では、上部温度センサ72および下部温度センサ74は、前記制御部63および制御部69に接続されている。
In this embodiment, the
追加ヒータ14は本実施例では熱交換器76に接続されており、この熱交換器76の方は、非飲料水容器78に接続されている。このような構成により、ヒートブロック68は非飲料水容器78に間接的に接続されることとなる。前記熱交換器76と非飲料水容器78との接続区間にポンプ80が介挿されており、このポンプ80は、熱交換器76内に非飲料水を強制的に循環させるものである。このポンプ80は、制御部69によって作動させることができる。
The additional heater 14 is connected to a heat exchanger 76 in this embodiment, and this heat exchanger 76 is connected to a
ヒートブロック68には少なくとも1つの加熱回路82が接続されている。この加熱回路82の往流路84は、ヒートブロック68の温水出口86に連通されている。この連通は、3方向混合弁88を用いて行われる。この3方向混合弁88には、前記熱交換器76も接続されている。
At least one
加熱回路82の復流路90は、前記戻り口部66に連通されている。
The
加熱回路82を複数設けることも可能であり、たとえば、これらの加熱回路82は並列接続され、各加熱回路82がそれぞれ、対応する往流路84と、対応する復流路90とを有する。
It is possible to provide a plurality of
戻り口部66ないしは復流路90の内部または外部に、戻り口部温度または復流路温度を監視する温度センサ92が配置されており、この温度センサ92は前記制御ユニット63および/または制御ユニット69に接続されている。
A
前記熱交換器60は、アフタバーナ54から放出された排ガスを含有する復水を復水処理により取り出し、復水容器96へ直接、または本実施例のように管路94を介して放出するように構成されている。原則的には、復水を他の熱交換器によって、たとえば熱交換器88によって捕捉して、復水容器96へ供給することも可能である。しかし、復水は後に更に使用されるものなので、復水の洗浄ユニットに特に配慮をすべきであり、また必要に応じて、熱交換器88からの復水を洗浄すべき場合がある。
The
復水容器96は改質器40に連通されており、供給された燃料を分解するために必要な復水を、この改質器40へ放出することができる。
The
復水容器96には充填レベルセンサ98が取り付けられており、この充填レベルセンサ98は制御部63に接続されている。この構成により、制御部63は、改質器40内の改質プロセスに必要な復水が十分な量であるか否かの情報、または、燃料電池設備12を他の動作点に制御すべきであるか否かの情報を受け取る。
A
動作点を求める際には、熱交換器60の冷水入口32において限界温度を超えると、燃料電池の水収支、すなわち復水処理により取り出された水と改質器にて必要とされる水との差が負になるという認識が利用される。すなわち、燃料設備の出力が高いほど、改質器40へ供給すべき復水量が多くなるが、このことは、熱交換器60にも同様に当てはまる事項ではない。上述の限界温度を下回ると、復水処理により取り出される水量は、改質器40が必要とする量より多くなる。燃料として天然ガスを用いる場合、前記限界温度は40℃から60℃までの間である。
When determining the operating point, if the limit temperature is exceeded at the
本発明は、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ14と、少なくとも1つの熱バッファ16とを備えた、とりわけ燃料電池設備12の形態の加熱設備10の動作方法であって、前記追加ヒータ14に到達した加熱用水の戻り口部温度が前記熱バッファ16の上部領域18における温度より低い場合のみ、前記追加ヒータ14は高温の加熱用水を前記熱バッファ16から引き込む動作方法にも関する。
The present invention is a method of operating a heating facility 10, particularly in the form of a
このことにより、熱バッファ16が追加ヒータ14によって加熱されないことが保証される。その際には、少なくとも、温度センサ92を用いて測定された戻り口部66の温度が、温度センサ72を用いて測定された熱バッファ16の上部領域18の温度より高い場合には、当該熱バッファ16内に加熱用水を流さずに追加ヒータ14へ供給するように、混合弁70を作動させる。
This ensures that the
本発明は、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ14と、少なくとも1つの熱バッファ16とを備えた、とりわけ燃料電池設備12の形態の加熱設備10の動作方法であって、前記追加ヒータ14に到達した加熱用水の戻り口部温度が前記熱バッファ16の下部領域20における温度より低い場合のみ、前記追加ヒータ14は高温の加熱用水を前記熱バッファ16から引き込む動作方法に関する。
The present invention is a method of operating a heating facility 10, particularly in the form of a
このような動作方法により、熱バッファ16が追加ヒータ14によって加熱されることが完全に無くなる。その際には、少なくとも、温度センサ92を用いて測定された戻り口部66の温度が、温度センサ74を用いて測定された熱バッファ16の下部領域20の温度より高い場合には、当該熱バッファ16内に加熱用水を流さずに追加ヒータ14へ供給するように、混合弁70を作動させる。
With such an operation method, the
本発明はまた、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ14と、少なくとも1つの熱バッファ16とを備えた、とりわけ燃料電池設備12の形態の加熱設備10の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、前記熱バッファ16の下部領域20における温度が50℃未満である限り、有利には45℃未満である限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
The present invention is also a method of operating a heating facility 10, particularly in the form of a
本発明はまた、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ14と、少なくとも1つの熱バッファ16とを備えた、とりわけ燃料電池設備12の形態の加熱設備10の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、前記熱バッファ16の上部領域18における温度が70℃未満である限り、有利には65℃未満である限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
The present invention is also a method of operating a heating facility 10, particularly in the form of a
燃料電池42は自身の電力範囲内で、典型的には100%から30%までの間で、変調して動作することができる。その制御手順は、動作時に電気的効率を可能な限り高くし、同時に、熱エネルギーを活用することを意図したものである。熱エネルギーは暖房ないしは温水生成に利用される。電気は、必要な場合には所有者自身によって利用されるか、または公共電力網へ供給される。熱バッファ16の下部領域20の温度が50℃を、有利には45℃を下回る場合、および/または、当該熱バッファ16の上部領域18の温度が70℃を、有利には65℃を下回る場合、燃料電池42を最大電力で動作させることができる。下部領域20ないしは上部領域18の温度が上昇して上述の値を上回った場合、出力される熱量が可能な限り少なくなるように、燃料電池42を動作させる。このことにより、総合的に見て燃料電池42を可能な限り長時間にわたって最大電力で動作させることができ、このことによって燃料電池の電気的効率が上昇し、かつ、燃料電池の性能劣化が小さくなることが保証される。
The fuel cell 42 can operate in a modulated manner within its power range, typically between 100% and 30%. The control procedure is intended to maximize the electrical efficiency during operation and at the same time utilize thermal energy. Thermal energy is used for heating or hot water generation. Electricity is utilized by the owner himself when necessary or supplied to the public power grid. When the temperature of the
本発明はまた、少なくとも1つの力‐熱結合システムと、少なくとも1つの追加ヒータ14と、少なくとも1つの熱バッファ16とを備えた、とりわけ燃料電池設備12の形態の加熱設備10の動作方法であって、前記力‐熱結合システムは電力を出力することができ、復水容器96から復水を取り出せる限り、前記力‐熱結合システムは高電力で、とりわけ最大電力で動作する動作方法にも関する。
The present invention is also a method of operating a heating facility 10, particularly in the form of a
改質器40へ供給可能な復水が存在する限りは、燃料電池42を最大電力で動作させることができる。このことは、十分以上の燃料および空気を燃料電池42へ供給できることを意味しており、このことにより、燃料電池42内部において、特にアノード44の領域において、最大限の完全混合が実現される。このようにして、過剰供給された領域または供給不足の領域が生じるのが回避され、このことにより、性能劣化の迅速化の原因となる比較的高温のスポットまたは比較的低温のスポットが生じるのが回避される。さらに、加熱設備10全体の総効率が上昇する。
As long as there is condensate that can be supplied to the
上述の特別な具体的構成により、特に上述の熱バッファ16を挿入したことにより、電力の観点および熱出力量の観点の双方において、燃料電池設備12を従来の温水ボイラを用いた設備よりも改善することができ、このことにより、全体効率の観点でも、燃料電池設備12を、従来の温水ボイラを備えた設備より改善することができる。実際の需要に依存せずに熱を保存できる熱バッファ16の特性こそが、全体効率に有益となる。その際には制御部63および69は、熱バッファ16による上部領域18からの熱出力が所要熱分布により可能になると直ちに、熱バッファ16が当該熱出力を行うように構成される。
With the above-described special specific configuration, particularly by inserting the above-described
Claims (15)
前記蓄熱器が熱バッファ(16)として構成されている
ことを特徴とする加熱設備(10)。 In a heating facility (10) comprising at least one force-heat coupling system, at least one additional heater (14) and at least one regenerator,
A heating facility (10) characterized in that the regenerator is configured as a heat buffer (16).
請求項1記載の加熱設備(10)。 The thermal buffer (16) is connected between the force-heat coupling system and the additional heater (14);
The heating facility (10) according to claim 1.
少なくとも2つの管継手(22,24)を有する上部領域(18)と、
少なくとも2つの管継手(26,28)を有する下部領域(20)と
を有し、
前記力‐熱結合システムの温水出口(30)は、前記熱バッファ(16)の上部管継手(22)に連通されており、
前記力‐熱結合システムの冷水入口(32)は、前記熱バッファ(16)の下部管継手(26)に連通されている、
請求項2記載の加熱設備(10)。 The thermal buffer (16)
An upper region (18) having at least two fittings (22, 24);
A lower region (20) having at least two pipe joints (26, 28),
A hot water outlet (30) of the force-heat coupling system is in communication with an upper fitting (22) of the thermal buffer (16);
A cold water inlet (32) of the force-heat coupling system is in communication with a lower fitting (26) of the thermal buffer (16);
The heating facility (10) according to claim 2.
少なくとも2つの管継手(22,24)を有する上部領域(18)と、
少なくとも2つの管継手(26,28)を有する下部領域(20)と
を有し、
前記加熱ヒータ(14)の供給口部(64)は、前記熱バッファ(16)の上部管継手(24)に連通されており、
前記加熱ヒータ(14)の戻り口部(66)は、前記熱バッファ(16)の下部管継手(28)に連通されている、
請求項2または3記載の加熱設備(10)。 The thermal buffer (16)
An upper region (18) having at least two fittings (22, 24);
A lower region (20) having at least two pipe joints (26, 28),
The supply port (64) of the heater (14) communicates with the upper pipe joint (24) of the thermal buffer (16),
The return opening (66) of the heater (14) communicates with the lower pipe joint (28) of the thermal buffer (16).
A heating facility (10) according to claim 2 or 3.
請求項2から4までのいずれか1項記載の追加ヒータ(14)。 The thermal buffer (16) is connected to the additional heater (14) via a three-way mixing valve (70).
The additional heater (14) according to any one of claims 2 to 4.
請求項2から5までのいずれか1項記載の加熱設備(10)。 The thermal buffer (16) comprises at least one upper temperature sensor and / or at least one lower temperature sensor (72, 74),
The heating equipment (10) according to any one of claims 2 to 5.
請求項1から6までのいずれか1項記載の加熱設備(10)。 The additional heater (14) is connected directly and / or indirectly to a non-potable water container (78) and / or one or more heating circuits (79),
The heating equipment (10) according to any one of claims 1 to 6.
前記改質器(40)には、更に水も供給可能である、
請求項1から7までのいずれか1項記載の加熱設備(10)。 The force-heat coupling system has at least one reformer (40) that decomposes the supplied fuel;
Water can also be supplied to the reformer (40).
Heating installation (10) according to any one of claims 1 to 7.
請求項8記載の加熱設備(10)。 The water is obtained as condensate from at least one heat exchanger (60, 76) of the heating facility (10) and can be supplied to a condensate vessel (96).
A heating facility (10) according to claim 8.
請求項9記載の加熱設備(10)。 The condensate container (96) comprises a filling level sensor (98).
A heating facility (10) according to claim 9.
前記追加ヒータ(14)に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ(16)の上部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ(14)は高温の加熱用水を前記熱バッファ(16)から引き込む
ことを特徴とする動作方法。 11. A heating installation according to any one of claims 1 to 10, comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater (14) and at least one thermal buffer (16). 10) In the operation method,
Only when the return port temperature of the heating water that has reached the additional heater (14) is lower than the temperature of the upper region of the thermal buffer (16), the additional heater (14) supplies hot heating water to the thermal buffer. (16) The operation method characterized by drawing in.
前記追加ヒータ(14)に到達した加熱用水の戻り口部温度が、前記熱バッファ(16)の下部領域の温度より低い場合にのみ、前記追加ヒータ(14)は高温の加熱用水を前記熱バッファ(16)から引き込む
ことを特徴とする動作方法。 11. A heating installation according to any one of claims 1 to 10, comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater (14) and at least one thermal buffer (16). 10) In the operation method,
Only when the return port temperature of the heating water that has reached the additional heater (14) is lower than the temperature of the lower region of the thermal buffer (16), the additional heater (14) supplies hot heating water to the thermal buffer. (16) The operation method characterized by drawing in.
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ(16)の下部領域(20)における温度が50℃を、有利には45℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。 11. A heating installation according to any one of claims 1 to 10, comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater (14) and at least one thermal buffer (16). 10) In the operation method,
The force-heat coupling system is capable of generating electrical power;
As long as the temperature in the lower region (20) of the thermal buffer (16) is below 50 ° C., preferably below 45 ° C., the force-thermal coupling system is operated at high power, in particular at maximum power How it works.
前記力‐熱結合システムは電力を生成することが可能であり、
前記熱バッファ(16)の上部領域(18)における温度が70℃を、有利には65℃を下回る限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。 11. A heating installation according to any one of claims 1 to 10, comprising at least one force-thermal coupling system, at least one additional heater (14) and at least one thermal buffer (16). 10) In the operation method,
The force-heat coupling system is capable of generating electrical power;
As long as the temperature in the upper region (18) of the thermal buffer (16) is below 70 ° C., preferably below 65 ° C., the force-heat coupling system is operated at high power, in particular at maximum power How it works.
前記力‐熱結合システムは電力を生成することができ、
前記復水容器から復水を取り出せる限り、前記力‐熱結合システムを高電力で、特に最大電力で動作させる
ことを特徴とする動作方法。 11. A device according to claim 1, comprising at least one force-heat coupling system, at least one additional heater (14), at least one thermal buffer (16) and a condensate vessel. In the operating method of the heating equipment (10) described,
The force-heat coupling system can generate power,
As long as condensate can be removed from the condensate vessel, the force-heat coupling system is operated at high power, especially at maximum power.
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